人工智能+3D打印導板輔助的膝關節固定平臺單髁置換

明立功,明朝戈,孟維娜,明朝暢,馮家威,黃野,張振鵬,龍路曼,普看博

(1.河南省滑縣新區醫院保膝科,河南 滑縣 456000;2.河南省滑縣骨科醫院關節科,河南 滑縣 456485;3.新鄉醫學院研究生學院,河南 新鄉 453100;4.河南大學,河南 鄭州 453000;5.北京積水潭醫院矯形骨科,北京 100035)

膝關節單髁置換術(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)是治療膝關節骨關節炎一種常見的手術方法,具有手術創傷小、并發癥少、術后恢復快、更接近正常膝關節自然功能等優點[1-4]。但是,UKA也需要一定的學習曲線,術中需要確定截骨的多個數據參數,比如截骨的位置、深度和截骨線的方向等。精確控制好上述參數才能真正做到假體置入位置精確和術后功能恢復良好。隨著中國人口結構變化,40歲以上人口數量逐年遞增,膝骨關節炎患者數量也隨之上漲[5],如何輔助醫生精準手術、優化手術流程、提高手術效率,是近年來不斷探討的課題。早在2018年Jones等[6]的研究表明,在膝關節單髁置換術中,無手術經驗的外科實習醫生在個性化導板(patient-specific instrumentation,PSI)的輔助下完成截骨操作,其截骨精準度可以與手術經驗豐富的專家相同。這說明PSI導板可以輔助醫生在手術過程中精準截骨,降低手術風險。

隨著人工智能(artificial intelligence,AI)行業的發展,AI手術規劃軟件已經可以通過數字模擬和獨有的算法,實現骨骼自動分割、精準測量角度、智能選擇最佳適配假體型號和精確計算截骨量等功能,同時可以輔助解決間隙平衡問題。在確定好術中關鍵數據后,可為患者3D打印PSI導板,該導板根據患者骨性結構定制化打印,且擁有易固定的特點,力圖使手術更加準確,減少并發癥風險,最終造福患者。本文將詳細介紹應用AI+3D打印導板輔助下膝關節固定平臺UKA的技術步驟。

1 影像學準備

1.1 CT采集要求 CT應包含完整的膝關節,股骨髁上15 cm至脛骨平臺向下15 cm,間距≤1.0 mm平掃。

1.2 X線采集要求 膝關節處于中立位的負重雙下肢全長X線片,負重位的膝關節正側位X線片。以上數據以DICOM數據格式提交。

2 AI術前規劃

根據患者病變的特點行固定平臺UKA。根據患者影像學數據和手術目標,AI手術規劃軟件會自動生成一份術前規劃報告,報告內容包含術中操作的各項參數以及假體應用型號和墊片厚度等(見圖1)。

圖1 術前計劃報告示例

3 固定平臺UKA截骨導板

確認報告中的術后目標和術中參數后,AI就會根據該參數生成導板數據并3D打印截骨導板。固定平臺UKA導板分為三部分(見圖2),第一部分是脛骨截骨模塊,該模塊可以穩定地貼合在患者脛骨近端前內側的特定部位,帶有脛骨縱向和水平截骨導向槽,并標注了截骨的深度和方向。第二部分是股骨導板Ⅰ,用于股骨前髁截骨,該模塊根據患者骨性結構設計,可以穩定貼附于股骨遠端。第三部分是股骨導板Ⅱ,用于股骨后髁截骨,該模塊的第1貼附區和股骨遠端截骨后的截骨骨面完全重合,易于擺放。每個模塊上均有按壓點用于穩定擺放導板;2.5 mm克氏針柱孔用于打入克氏針固定導板;截骨導向槽用于輔助術者精準截骨。

a 脛骨平臺截骨導板 b 股骨前髁截骨導板 c 股骨后髁截骨(二合一導板)圖2 3D打印截骨導板模塊示意圖

4 手術步驟

4.1 麻醉和體位 麻醉采用全麻或腰硬聯合麻醉,患者取仰臥平躺或患肢屈髖屈膝懸吊位,無菌止血帶下手術,便于術中視野清晰。

4.2 切口與顯露 膝內側髕旁弧形切口,沿髕骨內側緣頂點向關節線遠端3 cm處做切口,遠端止于脛骨結節中點,使切口在關節線以下占1/3,以上占2/3。術中辨別髕骨內側緣,沿髕骨內側緣切開關節囊,暴露關節腔。在關節囊上端加長切口進入股內側肌約3 cm。切除髕下部分脂肪墊,檢查韌帶、外側間室及髕股關節,進一步確認符合UKA的適應證。

4.3 安放脛骨導板 脛骨導板安放前,需顯露脛骨前內側骨面,保留脛骨平臺前內側骨贅,不做韌帶松解。剝離部分髕腱顯露外側骨面,髕腱后方若有砧狀骨贅,須去除。清理髁間窩骨贅,確保垂直截骨時往復鋸通道暢通。脛骨截骨導板第2貼附區要與脛骨平臺骨面貼附,若脛骨關節面有殘留軟骨要予以去除。將導板置入,術者用雙手大拇指按壓導板按壓區,使導板第1貼附區與脛骨骨面完全貼合,第2貼附區與脛骨平臺磨損最低點貼合,并確保各方向貼合,導板與骨面之間沒有縫隙。此時助手按照導板標識順序,在1～4號柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定(見圖3)。打入導針時須保持導針方向與柱孔一致,以免改變導板位置。完成后再次檢查導板第1、第2貼附區是否與骨面完全貼合。此時為便于后續手術操作,可將克氏針剪短。

4.4 脛骨截骨 使用往復鋸沿導板截骨槽進行垂直截骨,截骨時應注意避免上揚或下壓鋸片,以免損傷脛骨平臺后側皮質;水平截骨前請助手用拉鉤保護內側副韌帶,之后用擺鋸沿導板截骨槽進行水平截骨(見圖4)。手術前AI會自動計算并打印截骨骨塊,以便于術者在術中快速確認截骨量是否符合術前計劃。此時術者將脛骨截骨骨塊取出后與3D打印骨塊進行對比,確認截骨量與術前設計一致(見圖5)。

a 脛骨垂直截骨 b 脛骨水平截骨圖4 術中脛骨截骨示意圖

圖5 術中對比截骨塊與3D打印骨塊

4.5 間隙測試 根據術前設計,脛骨截骨后屈曲間隙應為8 mm,伸直間隙為10 mm。使用相應的測試塊,用兩指測試法進行測試。

4.6 股骨導板I固定 導板貼附區需緊貼股骨遠端骨面,若導板貼附位置有軟骨需刮除,以免影響截骨量。導板第1貼附區與股骨內髁遠端磨損點貼合,第2貼附區與股骨髁內側及前方骨面完全貼合,放置準確后術者用雙手大拇指按壓導板上的2個按壓區,確保導板穩定(見圖6)。助手按照導板標識順序,在1～4號柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定。

圖6 術中擺放股骨導板Ⅰ

4.7 股骨遠端截骨 用擺鋸沿截骨槽行股骨遠端截骨(見圖7)。取下股骨導板Ⅰ和截骨塊,將截骨塊與預先打印的截骨塊進行對比,如果截骨量少于術前設計,則需要手動加截。

圖7 股骨遠端截骨示意圖

4.8 股骨導板Ⅱ固定 導板第1貼附區貼在股骨遠端與截骨面重合,第2貼附區貼合股骨髁內側骨面。術者用雙手大拇指按壓導板上的2個按壓區,確保導板穩定(見圖8)。助手按照導板標識順序,在1～3號柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定(見圖9)。完成后再次檢查導板第1、第2貼附區是否完全貼合。

圖8 術中擺放股骨導板Ⅱ

圖9 術中固定股骨導板Ⅱ

4.9 股骨后髁和上斜截骨 使用打孔鉆打入前側柱孔1,插入股骨固定栓提高穩定性,再使用打孔鉆打入后側柱孔2。用擺鋸沿導板截骨槽進行股骨后髁截骨,截骨后取出前方股骨固定栓。之后用擺鋸沿截骨槽進行上斜截骨,取下股骨導板Ⅱ,借助窄骨刀(或擺鋸)沿截骨縫打斷截骨連接點,取出截骨塊。

4.10 假體安裝準備 切除內側半月板,助手用拉鉤保護內側副韌帶不受損傷。清理關節并確保截骨面平整,如果存在凸起的骨刺或骨贅(尤其是股骨后上髁區域),要用擺據或骨刀將其全部清除。

4.11 安裝股骨試模并測量間隙 依據術前設計提供的假體型號選擇、安裝股骨試模。將腿伸直(保持10 °～20 °屈曲),選擇10 mm的間隙測塊,用兩指測量法測量;再將腿屈曲90 °～100 °用同樣的方法測量屈曲間隙。

4.12 安裝脛骨試模并測試屈伸間隙 間隙測量合適后,取下股骨試模,把相應尺寸的脛骨托試模置于脛骨截骨表面上,使用脛骨限位鉆,鉆2個脛骨固定栓孔。根據術前設計型號和位置安放脛骨試模,合適的股骨部件試模、脛骨托試模以及脛骨襯墊試模進行膝關節屈伸間隙平衡和穩定性測試。

4.13 假體安裝 取下脛骨試模,將傷口沖洗干凈,調和骨水泥,安裝脛骨假體和股骨假體。再使用工具將墊片放到脛骨底座上,保持膝關節屈曲45 °位骨水泥凝固。

綜上所述,應用AI+3D打印導板進行固定平臺單髁置換術具有較多優勢,可以使得手術更加簡便,截骨線更加精準,截骨量更加精確,膝關節屈伸平衡更加良好。應用3D打印導板進行手術也要建立固定的手術流程和操作規范,按照操作流程進行操作,將大大降低手術風險,使手術醫生迅速度過學習曲線,從而實現高水平的手術精準性,同時具有手術風險小、術后恢復快和臨床療效較好的特點[7]。